费米国家加速器实验室的实验设施

1. 费米国家加速器实验室的实验设施

高能物理研究的主要工具是加速器，特别是对撞机，让反向旋转的粒子束流在对撞机中对撞。在美国，最高能量的对撞机就是费米实验室的万亿电子伏特加速器Tevatron，在欧洲核子中心CERN的大型强子对撞机LHC建成之前，Tevatron是世界上最大的加速器。由于实验的性质，高能物理学家们要进行研究，必须与像费米实验室这样大的实验室进行合作。1、万亿电子伏特加速器TevatronTevatron是世界上最强大的质子反质子对撞机，它将质子和反质子束流沿着4英里的周长加速到光束的99.99999954%。这两个束流在位于束流管道两个不同位置的2个5000吨的探测器（CDF、D0）中心对撞，以研究宇宙早期的情形，探查物质在最小尺度的结构；束流还引入到固定靶产生中微子束流用来开展研究。Tevatron位于地面25英尺以下。在该加速器内，粒子束流穿过一个大部分由超导磁铁环绕的真空管道。各类磁铁的组合使束流按大的圆形弯转。Tevatron共有1000多块超导磁铁。超导磁铁比常规磁铁产生更强的磁场，工作在华氏－450度，磁铁内的电缆没有电阻，传导大量的电流。特大的磁力可将粒子加速到更高的能量。（1）加速器链Tevatron由多级加速器组成：750keV的预注入器、200MeV的直线加速器、8GeV的增强器和500GeV的主加速器。预注入器：预注入器也叫高压倍加器，是用来产生质子束流的低能强流加速器。质子从这里开始加速，把从离子源中引出的负氢离子加速到750keV。直线加速器：直线加速器是产生带负电的氢离子是产生质子和反质子束流的第一步。费米实验室的第一个直线加速器建于1971年，最初加速粒子高达200 MeV。1993年进行了升级，由9个加速节组成，长约500英尺，可将预注入器中产生的带负电的离子加速到400 MeV，或大约光束的70%。束流从直线加速器出来，经中能输运段进入增强器。增强器：位于地下约20英尺的增强器是一个环型加速器，进入增强器的离子要穿过碳箔，碳箔从氢离子中去掉电子，产生带正电子的质子。增强器利用磁铁使质子束流在圆形轨道中弯转，围绕增强器运行20000次。每一圈中它们都在高频腔中经历一个来自电场的加速力，这使得到加速周期结束时将质子的能量加速到8GeV，然后引出束流向主加速器注入。主注入器：主注入器1999年竣工，有以下功能：（1）将质子从8 GeV加速到150 GeV；（2）产生120 GeV质子，用于反质子的产生；（3）从反质子源接收反质子并把它们的能量提高到150 GeV；（4）将质子和反质子注入Tevatron。反质子源：为产生反质子，主注入器把120 GeV的质子送到反质子源，质子与镍靶对撞，产生范围很广的次级粒子，包括许多反质子。反质子被收集，聚焦后存在储存环内，并对它们进行累积和冷却。当产生足够数量的反质子后，它们被送到返航器再进行冷却和累积，然后注入Tevatron。Tevatron：接收从主注入器来的150 GeV的质子与反质子，并将其几乎加速到1000 GeV。质子与反质子按相反的方向在Tevatron里运转，速度每小时仅比光速慢200英里。质子与反质子束流在Tevatron隧道中的CDF和D0探测器的中心部分发生对撞，爆发式地产生新粒子。（2）探测装置固定靶：三条光束线将质子从主注入器传送到中微子靶。这个区域的束流也测试探测器，并进行不涉及中微子的固定靶实验。将各种材料的样品放入光束线中，研究各种类型的粒子和它们的相互作用。利用这些装置，物理学家们在1977年6月30日发现底夸克和2000年Donut实验探测到t中微子。CDF与D0探测器：CDF与D0探测器是物理学家们在Tevatron上用来观测质子和反质子之间对撞的两个探测器。探测器大如三层楼房，每个探测器都有许多探测分系统，这些分系统识别来自几乎在光速发生对撞所产生的不同类型的粒子。通过分析这些“碎片”，探究物质的结构、空间和时间。质子反质子在CDF和Do探测器中心每秒发生200多万次的对撞，产生大量的新粒子。对于有趣的事例，探测器记录每个粒子的飞行轨道、能量、动量和电荷。物理学家们倒班工作，一天24小时地监测探测器的运行情况。

2. 费米国家加速器实验室的相关研究

费米实验室的研究集中在当代粒子物理以下几个主要问题上：为什么粒子具有质量；中微子质量是否来自不同的源；夸克与轻子的真正本质是什么；为何有三代基本粒子；真正意义上的基本的力是什么；如何将粒子物理和量子引力融合在一起；物质与反物质有何区别；把宇宙组合在一起的暗物质是什么；什么是促使宇宙膨胀的暗能量；在已知道的维数之外，是否还有隐藏的维数；地球是多维广义宇宙的一部分吗；宇宙是由什么组成的及宇宙是如何运作的？未来几年在粒子物理上的发现将改变粒子物理的研究方向，而这些发现的最佳机遇则可能存在于费米实验室所开展的以下实验中： （1）CDF实验Tevatron将质子和反质子加速到接近光速，然后让它们在CDF探测器中发生对撞。CDF探测器被用来研究质子与反质子发生对撞的产物。这样做旨在试图重建对撞中所发生的现象，最终了解物质是怎样组合在一起的，自然界利用什么力创造了我们周围的世界。1985年10月13日，在质心能量1.6 TeV时首次观测到质子反质子对撞。1994年4月26日，找到了顶夸克存在的直接证据。1995年3月，CDF组和D0组在176 GeV的能量上发现了顶夸克，如此大的质量，出乎物理学家的预料。1998年3月，CDF组发现Bc介子。2005年，发现Bs 物质－反物质振荡：3万亿次/秒；发现b重子（u-u-b和d-d-b）。2007年，CDF宣布通过单个实验对W波色子质量的最精确测量结果。2007年，发现b重子（d-s-b夸克组合）。2008年发现产生ZZ双波色子。 D0探测器是1983年提出建造的，1984年获得批准。经过8年设计、研究、硬件及软件的建造与调试，于1992年5月12日第一次正式记录正-反质子相互作用，开始运行取数。D0探测器长约19.8米，高和宽12.2米，重5500吨，超过12万道电子学信号。建造时由气体径迹室（顶点探测器、漂移室）、穿越辐射探测器、液Ar量能器、μ室、电子学及计算机软件、环形磁铁等组成，用以研究底夸克、量子色动力学、新物理现象及顶夸克的寻找等。1994年4月，CDF组表示已有顶夸克存在的证据，但取数较晚的D0组认为尚未有足够的证据。1995年2月24日，D0组和CDF组同时交出论文，宣布发现顶夸克。1995年3月2日下午1点，费米实验室这两大实验组举行正式招待会，宣布顶夸克的发现。这是国际高能物理界的一件大事。1995年3月8日，美国费米实验室所长John Peoples教授写信给中国科学院高能物理研究所所长，对高能物理所派往费米实验室的人员在发现顶夸克中作出的贡献表示感谢。信中写到：“十五年来，费米实验室和高能物理所之间的合作一直很重要。3月2日，CDF组和D0组宣布发现了顶夸克，即我们寻找了很久的这组基本粒子中的最后一种。在报告这一发现的D0组中，来自中国科学院高能物理研究所的科学家们有很突出的功劳。”高能物理所与费米实验室D0组的合作由1989年起最初的民间协作，后正式列入中美高能协作协议，高能物理所陆续派出30余人年参加了D0组的合作研究。主要参加了μ探测器的建造、蒙特卡洛计算、硅探测器、光纤径迹室、在线程序、数据处理和部分物理分析工作。在D0组宣布发现顶夸克的文章中，高能物理所的8位访问学者参加了署名，列入了发现顶夸克的贡献者名单之中。但遗憾的是，在这世界最前沿最重大的发现之中，没能挂出中国国旗和亮出中国高能物理所的名称，8个人只能列在美国FNAL名下。D0组一直希望与高能物理所的协作能前进一步，成为有国名、所名的正式协作者。前提是，要有一定经费的支持，使其在国内也能为D0作一定工作，并能有维持双方学术交流所需的经费。1999年高能物理所D0合作组取得了最重要的进展，得到国家自然科学基金的支持，成为D0国际合作组的正式参加国，国旗及所名已正式列入D0国际合作组。D0探测器的改进升级包括：硅条探测器、光纤径迹室、超导磁铁、μ前向探测器等高新探测器及技术将加入或替代探测器中旧的部分，2001年3月开始正式取数。新的D0探测器进行顶夸克的进一步研究、Higgs玻色子的寻找以及其它高能物理界的一些前沿课题研究。D0组成为由来自15个国家、60个大学或研究所的500多名科学家和工程师组成的大型国际合作组。2009年，D0组发现产生单个顶夸克；D0组宣布W波色子质量的最佳测量结果；发现新的夸克结构，命名为Y（4140）。 主注入器中微子震荡寻找MINOS（Main Injector Neutrino Oscillation Search）是费米实验室NuMI中微子研究计划中的第二个实验。NuMI计划是利用费米实验室Tevatron对撞机120GeV的主注入器向360米外的靶发射质子束流，靶上产生的次级p介子和K介子在飞行中衰变形成中微子束流。NuMI的第一个实验是COSMOS（Cosmological1y Significant Mass Oscillation Search），它安装在中微子靶前方的一公里处，用核乳胶来探测μ中微子振荡所产生的τ轻子。MINOS的位置在中微子靶更前方的735公里——明尼苏达州苏丹（Soudan）矿井700米深的地下。这两个实验是在两个点上对同一中微子束流的特性进行对比，探测中微子是否已经变成另外一种，也就是τ中微子。MINOS实验又称长基线实验，利用费米实验室中微子主注入器工程建造的设备，寻找具有极小质量被称为中微子的存在的证据。费米实验室的主注入器作为MINOS实验的中微子源，实验的长基线从这里开始，探测器放在735公里之外的明尼苏达州北部原苏丹铁矿里。参加MINOS实验的科学家们对从费米实验室出来的中微子和到达苏丹铁矿中的探测器的中微子的特性进行测量和比较。这两个探测器中中微子相互作用的特点之别提供不同类型的中微子震荡的证据，因此得出中微子质量。苏丹铁矿已开采一个世纪之久，现在已成为一个旅游景点。矿洞上方的岩石对宇宙线起着屏蔽作用，只有中微子和少数能量很高的宇宙线μ子可以穿透到地下这一深度。1981年苏丹矿井就已成为寻找质子衰变的30吨重的探测器的安放地。多年以后，当初的寻找质子衰变的动机也逐步扩展到中微子物理，拦截外层空间的中微子或大气中宇宙线相互作用所产生的中微子。1993年建成了1000吨的Soudan2探测器。MINOS是由中、美、英、俄二十多个研究单位近200位科学家组成的大型国际合作项目。他们长期从事中微子研究，并在从事中微子实验二十多年的费米实验室利用已有的中微子束等实验条件加以改进、组成这个新的实验。1999年位于明尼苏达州苏丹的MINOS探测器破土动工。MINOS探测器安装在与Soudan2探测器相邻的山洞中，总重10000吨、总长50米，用厚4厘米、对径8米正八边形的磁化铁吸收体板与交替摆放的径迹室做成，能对μ子和强子以及中微子相互作用中产生的电磁簇射进行很好的能量测量和模式辨认。2003年，远处的MINOS探测器开始取带宇宙线的数据，开始寻找低温暗物质。2005年第一个中子束流从费米实验室发送到明尼苏达。2006年MINOS组报告Dm2的第一次测量结果。 该实验通过寻找中微子震荡来测量中微子质量。中微子的质量很重要，因为它可使科学家们发现超出标准模型的物理。MiniBooNE实验可获得的质量，将增加对宇宙是如何演变的了解。MiniBooNE实验于1998年获得批准。MiniBooNE探测器放在距离μ介子中微子生成点约500米的地方，其任务是寻找μ介子中微子产生的电子中微子。iniBooNE使用1个装满800吨超纯度矿物油的直径12米的罐形油箱，至今这些矿物油比水还清澈。油箱内装有一个由1280个8英寸光电倍增管组成的感光层，可探测到中微子与油箱内的油分子碳原子核之间的碰撞情况，每年能记录1百万个中微子事件。2002年11月探测到第一批束流感应中微子事例。2007年4月11日MiniBooNE实验公布了首次发现，实验的观测结果解决了困扰中微子物理界10多年的难题，即20世纪90年代液体闪烁器中微子探测器（LSND）观测实验时提出的难题，那次观测似乎同全球其它地区中微子实验的观测结果相矛盾。MiniBooNE实验最终确定：LSND的观测结果不能归因于简单的中微子摆动效应。所谓的中微子摆动效应是一种中微子转换现象，即一种类型的中微子转变为别一种类型的中微子，然后又恢复为原来的类型。尽管MiniBooNE实验果断排除了LSND观测结果的解释，但还有很多工作要做，需进一步分析他们的数据。2006年1月起，MiniBooNE利用反中微子光束采集数据，期待从这些新数据中得出更多的结果。费米实验室最新的中微子实验称为SciBooNE，它与MiniBooNE一样安装在中微子束流线上，但具有更精密的跟踪能力。 MINERvA利用费米实验室NuMi光束线开展中微子散射实验，旨在测量低能中微子相互作用，支持中微子振荡实验，还研究影响这些相互作用的核子和原子核的强动力学。2010年3月，MINERvA完成和建造NuMi 近探测器大厅中的模块。2010年秋，安装最终的核靶，正在收集中微子核反中微子相互作用事例。实验物理学家们非常激动地朝着取得第一批成果努力着。 CKM实验是在费米实验室开展的一个固定靶实验，旨在测量稀有带电K介子标准模型衰变K+→p+ n`n的分支比。

3. 费米国家加速器实验室的重大发现

1977年6月30日，宣布发现底夸克；1994年4月26日，宣布顶夸克的第一个直接证据；1995年3月3日，CDF和D0合作组的实验人员宣布发现顶夸克；1996年11月18日，观测到反氢原子；1999年3月1日，在中性K介子中观测到直接的CP破缺；2000年4月13日，斯隆数字化巡天在红移5.8观测到最遥远的物体；2000年7月20日，DONuT实验报告直接观测到t中微子的第一个证据，从而开启了物理研究的一个新时代；2001年11月7日，NuTeV合作组报告Sinqw异乎寻常的高值为0.2277；2005年7月9日，首次在再循环环中观测到电子冷却反质子；2006年1月12日，斯隆数字化巡天－II报告发现139个新型1a超新星；2006年9月25日，发现Bs 物质－反物质振荡: 3万亿次/秒；2006年10月23日，发现b重子（u-u-b和d-d-b）；2007年1月7日，CDF宣布通过单个实验对W波色子质量的最精确测量结果；2007年6月，发现b重子（d-s-b夸克组合）；2007年6月28日，SDSSII发表约2.87亿个天体包括197个类型的1a超新星的图象；2007年11月8日，Pierre Auger天文台观测到超高能不均匀分布；2008年3月30日，发现产生ZZ双波色子；2009年3月9日，发现产生单个顶夸克；2009年3月11日，D0实验室组宣布W波色子质量的最佳测量结果；2009年3月18日，发现新的夸克结构，命名为Y（4140）。

4. 费米国家加速器实验室的发展

费米实验室是美国最大的高能物理研究实验室，在世界上仅次于欧洲核子研究中心CERN。费米实验室的目标是探索自然界最微小的部分——存在于原子中的世界，了解宇宙是如何形成和运转的，提高人类对物质和能量的基本属性的理解。为开展高能物理的前沿和相关学科的研究，费米实验室建造和运行高能物理学家需要进行前沿研究的设施，并为未来的实验开发新的加速器技术。费米实验室拥有2100多名雇员，年度预算为3.07亿美元。来自美国和世界各地的高校和实验室约2500个科研用户在费米实验室开展它们的研究。几十年来费米实验室获得了多项研究成果，并带动了相关技术的发展。

5. 费米国家加速器实验室的历史

美国费米国家加速器实验室原名为国家加速器实验室（National Accelerator Laboratory），根据美国总统林顿·贝恩斯·约翰逊1967年11月21日签署的法案建立，由当时的美国原子能委员会AEC负责管理。创建该所的R·威尔逊（Robert R.Wilson）所长为该所建立的严格原则是：杰出的科学、艺术的瑰丽、土地的守护神、经费上精打细算和机会均等。美国原子能委员会AEC从200多个建议中，选择美国中部伊利诺伊州芝加哥市以西30英里处韦斯顿（Weston）的巴达维亚（Batavia）作为费米实验室的建设地点。费米实验室所占6800英亩的场地原为农田，原有的一些谷仓至今仍在使用，有的用作仓库，有的用于社交活动。1974年，美国国会撤销原子能委员会AEC，成立了核管理委员会NRC与能源研究与开发局ERDA。1977年，美国国会组建了能源部DOE，ERDA并入DOE。费米实验室归属DOE，由美国大学研究协会URA（Universities Research Association）负责运作。1974年5月11日，该实验室被命名为费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory，FNAL），简称费米实验室（Fermilab）。E·费米（Enrico Fermi，1901-1954）是原子时代卓越的物理学家，1938年获诺贝尔物理学奖，以表彰他发现新的放射性物质和发现慢中子的选择能力。

6. 费米国家加速器实验室的获奖

1、1973年Robert R. Wilson获得国家科学奖章；2、1986年Stanley Livingston获得Enrico Fermi奖；3、1984年12月Robert R. Wilson获得Enrico Fermi奖；4、1988年10月19日Leon Lederman为1988年诺贝尔物理奖三个获得者之一；5、1989年10月18日Helen Edwards, Dick Lundy, Rich Orr和Alvin Tollestrup因在建造万亿电子伏特加速器中的工作获得国家技术奖章；6、1992年6月Leon Lederman获得Enrico Fermi奖。

7. 费米国家加速器实验室的介绍

费米国家加速器实验室位于芝加哥以西的巴达维亚，创建于1967年，于1974年5月建成。它以著名的美国物理学家费米命名，拥有目前世界最大的质子加速器，是世界上从事高能物理研究的第一流实验室。

8. 费米国家加速器实验室的特点

费米国家实验室的“TEV能级加速器(Tevatron)”是目前世界上能量最高的超级粒子同步回旋加速器，是人类历史上最大的物理实验装置之一。Tevatron耗资数亿美元，它的周长约为6．4公里因此他的直径大约为2公里。